Absorptions- und Transmissions-Spektren Nach Marcel Eugster, St. Georgen 2003 KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Ihr habt sicher alle schon den faszinierenden Eindruck eines Regenbogens bekommen. Ein Regenbogen entsteht immer dann, wenn man vor sich Regen hat, und hinter sich die Sonne, welche ihre Strahlen in die Richtung der Regenwolke wirft. Die Regentropfen werfen dabei die Sonnenstrahlen zurück und dieses wunderbare Farbmuster entsteht. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Das gleiche Phänomen lässt sich auch künstlich erzeugen mit Hilfe eines Prismas. Dabei tritt das gleiche Farbmuster wie bei einem Regenbogen auf: Rot-gelb-grün-blau-indigo. Um das Verhalten von Licht besser zu verstehen, wenden wir uns heute kurz und einfach der Physik des Lichts zu. Verschiedene Stoffe reagieren verschieden auf den Einfall von Licht. Diesen Umstand machen sich auch die Wissenschafter zu Nutze, um mit Hilfe von Lichtstrahlen Informationen über einen Stoff zu erhalten. Die Chemiker sprechen dabei von einem Spektrum. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Elektromagnetische Strahlung Die verschiedenen Arten der elektromagnetischen Strahlung haben ein sehr unterschiedliches Erscheinungsbild. Strahlung einer Infrarotlampe Röntgenstrahlung Radiowellen Sichtbares Licht Infrarotlampe spendet Wärme Röntgenstrahlen können Materie durchdringen Radiowellen ermöglichen den Empfang von Radiosendungen sichtbares Licht ist für die bunten Farben eines Regenbogens verantwortlich Gemeinsamkeiten Geschwindigkeit der Strahlung im Vakuum: 2.9979250 . 108 m/s ~3.0 . 108 m/s (Lichtgeschwindigkeit) Wellencharakter KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Elektromagnetische Wellen Vergleichbar mit stofflichen Wellen, wie z.B. Wasserwellen Sie besitzen eine charakteristische Wellenlänge und Frequenz! Die meisten elektromagnetischen Wellen wie Radiowellen oder die Röntgenstrahlung sind für unser Auge nicht sichtbar. Sie übertragen Energie und stellen Schwingungen innerhalb eines Raumgefüges dar, die senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen (transversale Schwingung). Die Wellen unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge: Rundfunkwellen können mehrere hundert Meter lang sein, während die kosmische Höhenstrahlung Wellenlängen im kaum vorstellbaren Bereich von Millionstel Nanometer (1 nm = 1 Milliardstel Meter) besitzt. Die Wellenlänge des für uns sichtbaren Lichts liegt zwischen 770 nm und 400 nm und wird als optisches Spektrum bezeichnet. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Elektromagnetische Strahlung Licht ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung, welche viele Eigenschaften mit Wellen gemeinsam haben. Man spricht daher von elektromagnetischen Wellen. Es gibt viele unterschiedliche Arten von elektromagnetischen Strahlungen. Diese unterscheiden sich in ihrer Energie, oder was gleichbedeutend ist, in ihrer Frequenz, bzw. ihrer Wellenlänge. Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Wellenlänge, und desto energiereicher ist die Strahlung... Wellenlänge Sichtbares Licht nimmt nur einen kleinen Ausschnitt des gesamten elektromagnetischen Spektrums ein! KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Die Art der elektromagnetischen Strahlung wird durch ihre Frequenz  oder durch ihre Wellenlänge  bestimmt. In der Chemie wird zur Charakterisierung von elektromagnetischer Strahlung auch der Kehrwert von , die so genannte Wellenzahl in cm-1 angegeben. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

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Elektromagnetische Strahlung Sichtbarer Bereich des Spektrums Der für das menschliche Auge sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung ist also nur ein winziger Ausschnitt aus dem ganzen Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Der Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichts liegt zwischen 420 und 750 nm. Die energiereiche und deshalb gefährliche UV-Strahlung sehen wir nicht, aber wir bekommen es bei einem Sonnenbad schmerzhaft als Sonnenbrand zu spüren. Sonnenschutzcrème filtert diese UV-Strahlung heraus, so dass die schädigende Wirkung dieser Strahlung vermindert wird. Die Augen von Bienen können hingegen diese Strahlung wahrnehmen. Die IR - Strahlung spüren wir ebenfalls auf der Haut als Wärmestrahlung. Sie kann mit Hilfe von IR-Kameras sichtbar gemacht werden. UV-Strahlung IR-Strahlung 400 500 600 700 Wellenlänge (nm) KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Lichtquelle mit weissem Licht Aufspaltung von sichtbarem Licht Prisma Lichtquelle mit weissem Licht Im Regenbogen oder in einem Prisma wird das sichtbare Licht aufgespaltet in verschiedene Spektralfarben. Das bedeutet, dass weisses Licht aus Strahlen von unterschiedlichen Wellenlängen zwischen 420 und 750 nm besteht. Farbeindruck: weiss KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Aufspaltung von sichtbarem Licht weisses Licht Prisma KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Aufspaltung von sichtbarem Licht weisses Licht Prisma Den gleiche Effekt kann man auch durch ein feinmaschiges Gitter erziehlen. Ein solches Gitter ist z. B. auch die Oberfläche einer CD. Demo CD! Gitter auf OHP einsetzen! weisses Licht Gitter (vgl. CD) KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Aufspaltung von sichtbarem Licht weisses Licht Prisma weisses Licht Gitter (vgl. CD) KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Unterschiedliche Stoffe reagieren verschieden auf den Einfall von Licht. Das ermöglicht es unseren Augen, Dinge zu unterscheiden. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Licht trifft auf einen nicht durchsichtigen Körper Möglichkeiten: Absorption Reflexion Teil der Strahlung wird vom Stoff absorbiert. Nicht-absorbierter Teil wird reflektiert. Entstehender Farbeindruck entspricht der Komplementär-Farbe der absorbierten Farbe. Trifft ein Lichtstrahl auf einen undurchsichtigen Körper, so hat er zwei Möglichkeiten: Entweder er wird reflektiert (gespiegelt), oder er wird absorbiert. Der absorbierte Anteil des Lichts wird an der Oberfläche des Körpers in unsichtbare IR-Strahlung umgewandelt: Der Körper erwärmt sich. Ein schwarzer Körper absorbiert fast die gesamte Strahlung des sichtbaren Lichts und wird von im mächtig aufgeheizt. Den Anteil des Lichts, welcher vom Körper reflektiert wird, den können wir sehen. Eine rote Tomate absorbiert also die blauen, grünen und die gelben Anteile des weissen Lichts und der rote Anteil wird reflektiert. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

? Wie sieht eine Tomate bei grünem Scheinwerfer-licht aus? Würden wir eine rote Tomate mit grünem Licht beleuchten, dann würde sie dieses Licht absorbieren. Praktisch nichts würde reflektiert (ausser beim Stiel) und wir würden die Tomate farblos grau beobachten. bei weissem Licht bei grünem Licht KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Lichtquelle mit weissem Licht Licht trifft auf einen durchsichtigen Körper Möglichkeiten: Absorption Reflexion Transmission ? Bei durchsichtigen Körpern hat das Licht noch eine dritte Möglichkeit: Ein Lichtstrahl, der durch eine farbige Lösung geschickt wird, kann z.T. absorbiert werden. Ein anderer Teil wird reflektiert und ein dritter Teil wird durch die Lösung hindurch gehen. Dieser Teil wird als Transmission bezeichnet. Dieser Anteil wird von unseren Augen wahrgenommen. Lichtquelle mit weissem Licht violette KMnO4-Lösung KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Licht trifft auf einen durchsichtigen Körper KMnO4: Kaliumpermanganat Lichtquelle mit weissem Licht violette KMnO4-Lösung KST CHEMIE 2013 Two Chemie

? Licht trifft auf einen durchsichtigen Körper KMnO4: Kaliumpermanganat ? Lichtquelle mit weissem Licht violette KMnO4-Lösung Wie wird nun das Spektrum von einem weissen Lichtstrahl aussehen, welcher durch eine violette Lösung geschickt worden ist? KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Licht trifft auf einen durchsichtigen Körper KMnO4: Kaliumpermanganat Lichtquelle mit weissem Licht violette KMnO4-Lösung Der grüne Anteil des aus der Lösung austretenden Lichts fehlt. Dazu noch ein paar Versuche. Demo-Versuche mit verschiedenen Lösungen zeigen. Grünes Licht wird absorbiert von KMnO4-Lösung! Zusammenspiel der durchgelassenen Lichtarten ergibt Komplementär-Farbe zu grün: violett! KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Experimente KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Absorptions-Spektrum einer KMnO4-Lösung Bei einem Absorptionsspektrum wird der Anteil des Lichts, der von der Lösung absorbiert, d.h. herausgefiltert wird, in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtstrahls aufgetragen. Die Kaliumpermanganat-Lösung filtert von einem weissen Lichtstrahl die Wellenlängen zwischen 480 und 560 nm (grün-gelb) heraus, das heisst der aus der Lösung austretende Lichtstrahl hat keinen Grün-Anteil mehr. Wir sehen die Wellenlängen von 420 bis 480 nm (Blau-Anteil) sowie von 560 bis 720 nm (rot). Die Kombination der beiden Farben ergibt die Komlementärfarbe von gelb-grün: violett. KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Absorptions-Spektrum einer KMnO4-Lösung KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Absorptions-Spektrum einer KMnO4-Lösung Bei einem Transmissionsspektrum wird dagegen die Lichtintensität des aus der Lösung austretenden Lichtstrahls in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen. Wie sieht das zugehörige Transmissions-Spektrum aus? KST CHEMIE 2013 Two Chemie

Aufnahme eines Spektrums: Das Photometer Beweglicher Schlitz Photozelle Lichtquelle Solche Spektren werden mit einem Photospektrometer aufgenommen. Dabei wird ein monochromatischer Lichtstrahl durch eine Probe-Lösung geschickt, und die austretende Strahlung mit einer Photozelle in ein elektrische Signal umgewandelt und von einem Schreiber oder Computer aufgezeichnet. Zerlegung des weissen Lichts Computer Probe Messung der Absorption oder der Transmission KST CHEMIE 2013 Two Chemie